Summary
本方案描述了一种摩擦测试装置，该装置将同时相互滑动和正常载荷施加到两个接触的生物配合面上。
Abstract
在原发性骨关节炎（OA）中，与衰老相关的正常“磨损”会抑制软骨维持其承重和润滑功能的能力，从而促进有害的物理环境。关节软骨和滑膜的摩擦相互作用可能通过组织水平磨损和细胞机械转导影响关节稳态。为了研究这些机械和机械生物学过程，描述了一种能够复制关节运动的装置。摩擦测试装置控制向两个接触的生物配合面传递往相互平移运动和正常载荷。本研究采用滑膜软骨配置，并在磷酸盐缓冲盐水（PBS）或滑液（SF）浴中进行测试时提供摩擦系数测量结果。该测试针对一系列接触应力进行了测试，突出了SF在高负载下的润滑性能。该摩擦测试设备可用作仿生生物反应器，用于研究活关节组织的物理调节，以响应与双关节关节关节相关的应用生理负荷。
Introduction
骨关节炎（OA）是一种使人衰弱的退行性关节疾病，影响超过3200万美国成年人，医疗保健和社会经济成本超过165亿美元1。该疾病的典型特征是关节软骨和软骨下骨的降解;然而，滑膜的变化最近引起了人们的赞赏，因为滑膜炎与OA症状和进展有关2，3，4。在原发性（特发性）OA中，与衰老相关的正常“磨损和撕裂”会抑制软骨维持其承重和润滑功能的能力。关节软骨层长时间滑动接触或软骨与植入材料滑动接触所产生的应力已被证明可以通过地下疲劳失效促进分层磨损5，6。由于关节7，8中存在动态机械环境，关节软骨和滑膜的摩擦相互作用可能通过组织水平磨损和细胞机械转移来影响关节稳态。为了研究这些机械和机械生物学过程，设计了一种装置来复制关节的运动，并严格控制压缩和摩擦载荷5，6，9，10，11，12，13。
本方案描述了一种摩擦测试设备，该设备将相互平移的运动和压缩载荷传递到活组织外植体的接触表面。计算机控制的设备允许用户控制每次测试的持续时间、施加的载荷、平移台的运动范围以及平移速度。该设备是模块化的，允许测试各种配合面，例如组织上的组织（软骨上的软骨和软骨上的滑膜）和玻璃上的组织。除了测试仪获得的功能测量外，还可以在测试之前和之后评估组织和润滑浴组件，以评估给定实验方案赋予的生物变化。
软骨摩擦学的研究已经进行了几十年，并且已经开发了几种技术来测量软骨与玻璃和软骨之间的摩擦系数，软骨14，15。不同的方法是由连接的和/或感兴趣的润滑机制驱动的。在实验变量的控制和生理参数的概括之间经常存在权衡。摆式装置利用完整的关节作为简单摆锤的支点，其中一个关节表面在第二个表面上自由平移14，16，17，18。摩擦测量不是使用完整的关节，而是通过在所需表面上滑动软骨外植体14，19，20，21，22，23，24，25来获得摩擦测量。据报道，关节软骨的摩擦系数在很宽的范围内（从0.002到0.5）变化，具体取决于操作条件14，26。已经创建了复制旋转运动的设备23，27，28。Gleghorn等人.26开发了一种多孔定制摩擦计，以使用Stribeck曲线分析观察软骨润滑曲线，并在软骨之间相对于平板玻璃配合面施加线性振荡滑动运动。
该装置旨在隔离摩擦反应，并探索各种载荷条件下活组织的机械生物学。该装置采用简化的测试设置，通过压缩滑动模拟关节关节关节，可以近似滚动和滑动运动，并了解纯滚动运动中的阻力相对于关节软骨29的测量摩擦系数可以忽略不计。该测试仪最初是为了研究间质液加压对关节软骨9摩擦反应的影响而构建的，此后一直用于探索诸如去除软骨浅表区域的摩擦效应10，滑液11的润滑作用，软骨磨损假设5，6，30和滑膜对组织摩擦测量13等主题。.摩擦测试生物反应器可以在无菌条件下进行摩擦实验，为探索摩擦力如何影响活软骨和滑膜的机械生物学反应提供了一种新的机制。该设计可用作仿生生物反应器，以研究活关节组织的物理调节，以响应与双关节关节关节相关的应用生理负荷。
本研究提出了一种在一系列接触应力和不同润滑浴中进行滑膜软骨摩擦测试的配置。大多数关节的关节表面积在很大程度上是滑膜组织31。虽然滑膜在软骨上滑动不会发生在初级承重表面，但两个组织之间的摩擦相互作用可能仍然对组织水平修复和细胞机械转导具有重要意义。先前已经表明，位于滑膜内膜层上的成纤维细胞样滑膜细胞（FLS）具有机械敏感性，对流体诱导的剪切应力32作出反应。还证明拉伸33、34 和流体引起的剪切应力35 可调节 FLS 润滑剂的产生。因此，滑膜和软骨之间的直接滑动接触可以为滑膜中的常驻细胞提供另一种机械刺激。
只有少数关于滑膜摩擦系数的报告已经发表31，36。Estell等人.13 试图通过利用生物学相关的配合面来扩展先前的表征。由于摩擦测试设备能够测试活组织，因此可以模拟关节关节连接过程中的生理组织相互作用，以阐明接触剪切应力对滑膜细胞功能的作用及其对滑膜和软骨之间串扰的贡献。后者与关节炎和损伤后滑膜关节炎症的介导有关。由于软骨与滑膜和滑液的物理接近，滑液含有表现出多能能力的滑膜细胞，包括软骨发生，因此假设滑膜细胞通过植入关节表面在软骨稳态和修复中发挥作用。在这种情况下，软骨 -滑膜和滑膜-滑膜的物理接触和相互剪切可能会增加滑膜细胞对软骨损伤区域的可及性37，38，39，40。利用滑膜软骨配置的研究不仅可以深入了解关节大组织力学和摩擦学，还可以带来维持关节健康的新策略。
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Protocol
从当地屠宰场获得的幼年牛膝关节用于本研究。具有此类牛标本样本的研究不受哥伦比亚机构动物护理和使用委员会（IACUC）的约束。
1. 摩擦试验装置的设计
注：摩擦测试装置的示意图如图 1所示。该装置建在刚性底板上（未显示），底板用作结构支撑的平台。
- 将步进电机连接到水平平移台（参见 材料表），创建一个双轴摩擦测试设备，该设备可向接触表面提供相互平移运动。
- 在平移台上安装多轴称重传感器（参见 材料表）。安装的称重传感器将用于测量 z 方向 （Fn） 的法向载荷和 x 方向 （Ft） 的切向载荷。
- 为平移载物台配备线性编码器（参见 材料表），以记录载物台的水平位移（ux）。此外，在装载台上配备线性编码器（参见 材料表），以记录压板的垂直位移（uz）。
注：平移台编码器记录接触面的相对切向位移，该信息用于检测每个新的往复滑动周期的开始。 - 将装载压板（顶部接触面）配置为玻璃、软骨或滑膜配合面。 通过 螺纹支撑杆将压板连接到装载台。
- 将两部分磁性底座连接到称重传感器的顶部（参见 材料表）：（1）永久连接到称重传感器的固定底座和（2）磁性连接到固定底座的可拆卸底座。确保两个部分形成紧密的连接。
注：可拆卸底座将固定平移配合面（底部接触面）。 - 规定正常负荷。使用安装在负载压板和支撑杆上方的直线轴承上的自重。或者，使用音圈致动器指定载荷（参见 材料表），其可以动态地载荷底部接触面41。
- 将设备安装在铝框亚克力外壳中（参见 材料表），以保护其环境免受污染。
注意： 一个 自 定义 的 LabVIEW 程序 可 控制 设备 （参见 补充 编码 文件）， 用户 可 控制 每 个 测试 的 持续时间， 以及 载物台 行进路径、 加 速度 （方向 变化） 和 速度。在整个测试过程中，使用数据采集硬件和软件监控法向力、切向力、载物台位移和蠕变位移（参见 材料表）。
2. 试样制备和安装
- 按照以下步骤准备无菌组织收获。
注意：如果不需要无菌收获，请继续执行步骤 2.2。- 在高压灭菌器中对金属工具进行灭菌。用70%乙醇喷洒接头支架，并将其置于生物安全柜（BSC）中。关闭机柜进行一次紫外线 （UV） 循环。
- 从高压灭菌器中检索工具。将工具，甜菜碱，无菌手术刀刀片和含有70%乙醇的烧杯放入平衡计分泌素中。
- 在平衡计分卡内部，打开工具并将其放入70%乙醇烧杯中。将手术刀刀片连接到手术刀手柄上。
- 准备接种以进行收获。用70%乙醇喷洒关节外部，并用铝箔包裹30分钟。注意不要破坏关节囊。
注意：接受幼年牛膝关节，股骨和胫骨切开关节上下约15厘米，以确保胶囊完整。 - 30分钟后，将包裹的关节放在平衡计分卡内。打开铝箔并将接头固定在其支架上。通过在关节表面轻轻擦拭甜菜碱来覆盖甜菜碱的关节。
注意：请参阅步骤 2.2 和步骤 2.3，分别了解滑膜特异性说明和软骨特异性说明。
- 按照以下步骤收获幼牛滑膜。
- 使用环形支架固定胫股关节囊（参见 材料表），前侧朝向分离器。使用镊子和手术刀刀片，使用比胫骨上部高5-10厘米的水平切口（取决于关节大小）切断髌骨肌腱（图2A）。
- 用镊子握住脱落的髌腱。做两个V形的前后切口（图2B，C）。这些切口应该可以释放髌骨。
注意：当关节开始开放时，注意不要切断前交叉韧带 （ACL）、后交叉韧带 （PCL）、内侧副韧带 （MCL）、外侧副韧带 （LCL） 和半月板。 - 旋转关节后面的髌骨或将其从关节上完全取下。小心地去除关节内侧和外侧滑膜浅表的组织以暴露滑膜。
- 使用手术刀刀片，追踪感兴趣的滑膜区域的轮廓。使用镊子，抓住滑膜的一端，轻轻抬起，将滑膜拉伸到下面的骨头远端。使用手术刀刀片从骨头上取下滑膜（图2D，E）。
- 将组织置于适当的培养基或测试浴液中。滑膜外植体可以培养用于所需的实验或安装并用于测试。
注意：培养基/测试浴液可能因研究小组的偏好而异。有关用于本研究的定制材料，请参见 材料表。
- 收获幼牛软骨（股骨塞和胫骨条）。
- 通过切断前交叉韧带、PCL、内侧副韧带和拼箱，将股骨与胫骨分开。注意不要切开股骨髁软骨或切开半月板到胫骨平台。将分离的组织放在各自的支架中进行解剖（步骤2.3.2用于股骨，步骤2.3.3用于胫骨）。
- 使用环形支架固定股骨。使用所需形状和大小的活检冲头，将器械垂直于股骨髁关节软骨表面，直到到达骨骼（图3A）。
- 通过向左向右移动冲头并向前向后移动来松开插头与骨骼的连接。在不移除冲头的情况下执行此操作。
注意：当骨头与软骨分离时，可能会听到噼啪声。 - 从下面的骨头上取下冲头，从而取下塞子（图3B）。如有必要，请对髁上其余未触及的位置重复步骤 2.3.2、2.3.2.1 和 2.3.2.2。
注：在准备将股骨塞安装到测试底座上时，可能需要将塞子的深侧剃平。这可以用箱形切割机或手术刀完成。 - 将组织置于适当的培养基或测试浴液中。股骨塞可以培养用于所需的实验，也可以安装并用于测试。
- 通过向左向右移动冲头并向前向后移动来松开插头与骨骼的连接。在不移除冲头的情况下执行此操作。
- 将胫骨固定在可调节的支架中（参见 材料表）。小心地去除半月板，同时避免与软骨表面接触（图4A）。
- 在胫骨平台的外缘，使用箱形切割器垂直于软骨向骨切。完全切开软骨，使边缘/侧面笔直（图4B）。开始切除距每个胫骨平台边缘约2毫米的切口，并去除多余的组织。对软骨的内缘进行评分（图4C）。
注意：此时，骨骼需要在胫骨平台外缘的软骨下方可见。 - 在外边缘，使用箱形切割器在骨骼和软骨之间的界面处进行干净切割（图4D）。
注意：切口必须与软骨表面平行，向内约5毫米，深度足以开始分离软骨和骨骼。 - 要从平台表面取下胫骨条，请在步骤2.3.3.2中切割的下方轻轻插入平头螺丝刀。轻轻旋转螺丝刀以松开软骨下的关节软骨（图4E）。
注意：当骨头与软骨分离时，可能会听到噼啪声。 - 当样品松动时，慢慢向前推动螺丝刀，直到软骨条从骨头上脱落。将螺丝刀推向骨头，而不是软骨。在多个位置重复此过程，直到胫骨平台关节软骨从下层骨中完全移除（图4F）。
- 使用箱形切割机切割胫骨平台表面以产生所需尺寸和厚度的矩形样品。
注意：对于本研究，切割了10 mm x 30 mm的条带，但可以根据所需的实验和测试设置改变此尺寸。 - 将组织置于适当的培养基或测试浴液中。胫骨条可以培养用于所需的实验或安装并用于测试。
- 如有必要，对第二胫骨平台重复步骤2.3.3.1-2.3.3.6。
- 在胫骨平台的外缘，使用箱形切割器垂直于软骨向骨切。完全切开软骨，使边缘/侧面笔直（图4B）。开始切除距每个胫骨平台边缘约2毫米的切口，并去除多余的组织。对软骨的内缘进行评分（图4C）。
- 按照以下步骤安装滑膜和软骨。
- 如果需要，请选择胫骨条样品进行测试。
注：该条带可作为底部配合面进行测试。- 取下可拆卸磁性底座（参见 材料表），并将直径为60 mm的培养皿粘附到可拆卸底座的顶部表面。
- 将培养皿粘合到位后，将可拆卸底座连接到固定底座上，并标记培养皿以指示滑动方向。
- 将少量氰基丙烯酸酯（见 材料表）涂抹在培养皿的中心。将胫骨条与载物台的滑动方向对齐（如2.4.1.2培养皿上的标记所示）。将软骨条轻轻按压在盘子上。注意不要划伤软骨表面。
注意：抽吸工具（参见 材料表）可以对软骨施加轻柔的压力，而不会损坏要进行摩擦测试的表面。 - 在摩擦试验机中将可拆卸的磁性底座（带有连接的软骨条）恢复到其配对的磁性固定底座。用所需的测试浴溶液填充培养皿。测试浴液必须完全覆盖软骨。
- 如果需要，请选择股骨软骨塞进行测试。
注：插头可作为底部或顶部配合面进行测试。- 如果股骨髁用作底部配合面，请取下可拆卸的磁性底座，并将直径为60毫米的培养皿胶粘到可拆卸底座的顶部表面。
- 将少量氰基丙烯酸酯涂抹在盘子的中心。轻轻地将软骨塞压在盘子上。
注意：抽吸工具可以对软骨施加轻柔的压力，而不会损坏要进行摩擦测试的表面。 - 将可拆卸磁性底座（带有连接的软骨塞）恢复到摩擦测试仪中配对的磁性固定底座。用所需的测试浴溶液填充培养皿。测试浴液必须完全覆盖软骨。
- 将少量氰基丙烯酸酯涂抹在盘子的中心。轻轻地将软骨塞压在盘子上。
- 如果股骨软骨用作顶部配合面，请从摩擦测试仪上取下负载压板和支撑杆。如有必要，请取下现有的压板，然后选择适合软骨安装的新压板。
- 将少量氰基丙烯酸酯涂在压板表面上。轻轻地将软骨塞压在压板上。
注意：抽吸工具可以对软骨施加轻柔的压力，而不会损坏要进行摩擦测试的表面。 - 将装载压板（带有连接的软骨塞）和支撑杆恢复到摩擦测试仪上。调整装载压板的垂直高度，使软骨塞悬停在底部配合面上并浸没在测试槽中。如果需要，添加更多的测试浴液。
- 将少量氰基丙烯酸酯涂在压板表面上。轻轻地将软骨塞压在压板上。
- 如果股骨髁用作底部配合面，请取下可拆卸的磁性底座，并将直径为60毫米的培养皿胶粘到可拆卸底座的顶部表面。
- 如果需要，选择要测试的滑膜样本。
注：滑膜可以作为底部或顶部配合面进行测试。- 如果将滑膜用作底部配合面，请取下可拆卸磁性底座，并将直径为60 mm的培养皿粘附到可拆卸底座的顶面。
- 将所需直径的定制加工的圆形丙烯酸硅胶柱粘附到培养皿的中心。
- 使用镊子，将滑膜放在柱子的顶部。为了固定滑膜，在其圆周上铺上一个O形圈（参见 材料表）。
- 使用镊子，轻轻拉动滑膜以拉伸示教组织并平放在O形圈下方。用手术剪刀修剪多余的组织。
- 在摩擦试验机中将可拆卸的磁性底座（连接有滑膜）恢复到其成对的磁性固定底座上。用所需的测试浴溶液填充培养皿。测试浴液必须完全覆盖滑膜。
- 如果将滑膜用作顶部配合面，请从摩擦试验机上取下加载压板和支撑杆。如有必要，请取下现有的压板，然后选择适合滑膜安装的新圆形压板。
- 使用镊子，将滑膜放在圆形压板的顶部。为了固定滑膜，在其周围展开一个O形圈。
- 使用镊子，轻轻拉动滑膜以拉伸示教组织并平放在O形圈下方。用手术剪刀修剪多余的组织。
- 将加载压板（带有连接的滑膜）和支撑杆恢复到摩擦试验仪上。调整装载压板的垂直高度，使滑膜悬停在底部配合面上并浸没在测试槽中。如果需要，添加更多的测试浴液。
- 如果将滑膜用作底部配合面，请取下可拆卸磁性底座，并将直径为60 mm的培养皿粘附到可拆卸底座的顶面。
- 如果需要，请选择胫骨条样品进行测试。
3. 摩擦试验
注： 这些 测试 使用 了 一个 自 定义 的 LabVIEW 程序 和 相关 硬件 （参见 补充 编码 文件） 。请注意，自定义代码是在LabVIEW 2010上构建的，并已在相同的旧版本上进行维护。因此，代码可能与最新版本的软件不向前兼容。以下按钮删除线和用户界面引用将仅与自定义代码相关。如果使用其他软件版本，则可以通过修改代码来编写类似的自定义程序。
- 将安装的试样（步骤2.4）插入摩擦试验装置中。
注意：试样需要浸没在测试浴液中，但不得相互接触。 - 打开软件程序并规定测试参数：载物台速度、载物台加速度、行驶路径（距离）和试验持续时间（图5）。
- 打开程序中的三个窗口： 模拟数据构建 MFDAQ、 初始化负载 PID 和 触发 动态 调用方。
- 通过按运行（白色箭头）按钮运行模拟数据构建MFDAQ窗口。
- 通过按运行（白色箭头）按钮运行初始化加载 PID 窗口。
- 导航到“触发动态调用方”窗口中的“步进器”选项卡。在用户输入框中指定转换阶段的加速度、速度和距离。
注：距离值设置磨损轨道的半长。换句话说，载物台将在正负 x 方向上从指定的零位置（步骤 3.5）移动到设定的距离值。 - 在“步进”选项卡中，通过选择“步进时间索引”文件路径来指定测试持续时间。单击“时间状态”表右下角的“打开文件夹”按钮，然后选择文件。
- 在“音圈”选项卡中也指定测试持续时间。导航到“触发动态呼叫者”窗口中的“音圈”选项卡。与步骤 3.2.5 类似，通过单击“时间状态”表右下角的“打开文件夹”按钮选择“音圈索引”文件路径，然后选择该文件。持续时间必须与“步进”选项卡的持续时间匹配。
- 规定正常负荷。如果使用自重，请将所需的砝码放在载荷压板上方的直线轴承上。确保施加的载荷加上装卸板和支撑杆的重量不超过称重传感器的额定容量。
- 使用“ 写入文件？” 框右侧的打开文件夹按钮选择数据存储的路径和文件名。使用“.txt”扩展名保存文件。
- 将底部配合面居中，置于顶部配合面下方。将其设置为零 x 位置。
- 通过按“运行”（白色箭头）按钮运行“触发动态调用方”窗口。在“步进”选项卡中，单击“主页”按钮将载物台移动到上次保存的零 x 位置。
- 如果配合面未对齐，则通过单击绿色的向左和向右箭头按钮来移动舞台。到达所需位置后，单击“零”按钮将当前舞台位置另存为新的零 x 位置。通过单击“停止”按钮停止“触发器动态调用方”窗口。
注意：舞台位置只能在 “触发动态调用方”窗口运行时保存，但舞台尚未按照程序的指定移动。在步骤 3.5.1 中 按“运行 ”（白色箭头）按钮将在阶段开始移动之前启动 15 秒的时间范围。使用此 15 秒的时间帧移动舞台并保存所需的零位置。 - 如果在第一次尝试时未获得所需的零 x 位置，请重复步骤 3.5.1。
注：当用户将底部配合面移动到顶部配合面下方时，间歇性地按下“零”按钮以保存载物台位置可能会有所帮助。回想一下，单击“主页”按钮会将舞台移动到“ 零 ”按钮保存的最后一个位置。
- 一旦顶部和底部配合面居中，通过启动载物台的循环运动来启动样品的摩擦测试。为此，请按“运行”（白色箭头）按钮运行“触发器动态调用方”窗口。
- 一旦舞台移动，慢慢地使顶部配合面与底部接触。
注：通过查看软件窗口中的 Fz 实时图（图5A），可以确认施加的载荷值。 - 让测试运行，收集摩擦测试数据。
注意：在步骤 3.5 期间记录的任何数据都将被覆盖。可以在 “触发动态调用方”窗口中查看实时迟滞（图 5C）。 - 在所需的测试持续时间之后，通过按下 “停止 ”按钮停止测试，然后通过抬起顶部配合面并将其与底部配合面脱离接触来卸载试样，从而停止测试。
4. 数据处理
注意：自定义 MATLAB 程序用于数据处理（请参见 补充编码文件）。代码 调用 自 定义 LabVIEW 代码 所 指定 的 输出 文件。
- 使用自定义代码计算每个周期的摩擦系数和蠕变位移（随时间变化的组织变形）。
- 确保所有相关代码都保存在同一个文件夹中：“frictioncycle_fun”、“frictioncycle_Hysteresis_plot”、“frictioncycle_MU_plot”和“frictioncycle_run”。
注意： 编写 这些 MATLAB 代码 是 为 与 上述 LabVIEW 代码 的 特定 输出 一起使用 而 编写 的。如果用户已创建自己的代码或已对此处描述的代码进行了修改，则可能需要编辑 MATLAB 脚本以适应这些更改。 - 打开 frictioncycle_run.m 文件。单击脚本中的 运行 （绿色箭头）按钮。选择要分析的原始数据文件和所需的 MATLAB 输出保存位置。
注：根据测试持续时间，软件可能需要几分钟来处理数据。
- 确保所有相关代码都保存在同一个文件夹中：“frictioncycle_fun”、“frictioncycle_Hysteresis_plot”、“frictioncycle_MU_plot”和“frictioncycle_run”。
- 如果需要，对测试浴液的测试外植体和等分试样进行标准组织评估和培养基分析。
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Representative Results
软骨上的滑膜结构用于摩擦测试幼年牛外植体。滑膜安装在直径为10毫米的丙烯酸加载压板上，使得内膜层将与下面的软骨接触。胫骨条用作软骨配合面（图6A）。胫骨条的切割深度约为1.4 mm，尺寸为10 mm x 30 mm。将样品在37°C下在磷酸盐缓冲盐水（PBS）浴或牛滑液（SF）浴中测试1小时。SF浴由PBS和牛SF的50/50混合物组成。载物台加速度为100 mm/s2，载物台速度为1 mm/s，载物台路径距离为2.5 mm6，9，42。自重用于施加各种正常载荷，产生180、230和300 kPa11，43的接触应力。
一小时后，将组织卸下，并评估摩擦系数。根据每个往复循环中Ft/Fn的平均值计算有效摩擦系数μ，然后根据测试持续时间绘制图，得出摩擦系数与时间图（图6B）。对于每个测试，在整个测试（所有周期）中平均μ值以产生μ平均值。在PBS测试浴中，μ平均值随着接触应力的增加而增加。μ平均值，PBS从180 kPa时的0.015±0.005增加到230 kPa时的0.019±0.005，再到300 kPa时的0.022±0.010。相反，μ平均值在SF浴中接触应力增加时保持相似（图6C）。平均μ，SF为0.013±0.002（180 kPa），0.011±0.001（230 kPa）和0.011±0.001（300 kPa）。
总体而言，结果表明摩擦测试仪装置能够同时对两个生物配合面施加相互滑动和正常载荷。在这项研究中，在SF浴中测试的滑膜软骨样品在接触应力增加时没有显示出摩擦系数的增加，从而支持了SF通过边界润滑机制有助于接头的低磨损和低摩擦特性的观点。
图1：两轴定制摩擦测试装置的示意图（左）和培养皿中加载样品的横截面（右）。 载物台连接到电机上，该电机感应滑动运动，并使底部接触面与顶部接触面铰接。称重传感器收集实时负载测量值，而装载级线性编码器收集实时蠕变位移测量值。该图已根据参考文献10 的许可进行了修改。 请点击此处查看此图的大图。
图2：牛滑膜收获（A）髌腱使用高于胫骨的水平切口切断。（乙、丙）通过以V形（虚线）的形状进行两个前后切口来去除髌骨。（D）滑膜的轮廓用手术刀刀片追踪。（E）然后将滑膜拉伸到下层骨的远端并移除。比例尺 = 5 cm.请点击此处查看此图的大图。
图3：牛股骨软骨塞收获（A）将直径为15.9毫米的活检冲头垂直插入股骨髁关节软骨表面，直到到达骨头。（B） 取下冲头和插头。比例尺 = 16 mm.请点击此处查看此图的大图。
图4：牛软骨胫骨条收获（A）从胫骨平台中取出半月板。（B）切割平台边缘以形成直边（插图）。（C）对高原内部进行划线以创建条带。（D）在软骨 - 骨界面处进行切割。（E） 在切口下方插入螺丝刀。（F） 去除条带。比例尺 = 10 mm，请点击此处查看此图的大图。
图 5： LabVIEW 用户 界面。自定义程序允许控制各种测试参数，如载物台加速度、载物台速度、行驶路径和测试持续时间。（A） 实时施加载荷图（Fz与t 其中 Fz 是正常载荷 Fn），（B） 步进位置（ux与。t）和 （C） 滞后图（Fx 与ux，其中 Fx是切向力 Ft）。请点击此处查看此图的大图。
图6：滑膜对软骨的摩擦测量（A）为胫骨软骨条上的幼年牛滑膜（插页）配置的摩擦测试装置。（B）具有代表性的摩擦系数（μ）作为时间图的函数。（C）在磷酸盐缓冲盐水（PBS，闭合圆）或牛滑液（SF，开环）浴中各种接触应力（180 kPa，蓝色，230 kPa，红色，300 kPa，绿色）的摩擦系数。误差线是具有标准差的均值。请点击此处查看此图的大图。
图 7：摩擦生物反应器 （A） 具有固定顶部配合面和移动底部配合面的摩擦生物反应器示意图。（B）生物反应器的侧视图和（C）底视图，在软骨滑膜结构中施加生理剪切。（D）生物反应器安装在组织培养箱内。 请点击此处查看此图的大图。
补充编码文件。 请按此下载此档案。
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Discussion
关节内存在动态机械环境，因为软骨受到压缩，拉伸和剪切力，以及流体静压和渗透压44，45。虽然软骨是关节的主要承重组织，但滑膜也与软骨表面和自身在组织折叠的区域发生摩擦相互作用。软骨和滑膜之间的物理相互作用可能负责转移细胞并将间充质干细胞释放到关节环境中，提供潜在的细胞来源，以促进（有限的）关节软骨修复机制37，38，39，40。软骨和滑膜的摩擦特性对关节的维持和组织磨损引起的变性具有重要意义13.提出了一种能够传递相互平移运动和压缩载荷的装置，以研究负责关节稳态和疾病进展的机械和机械生物学过程。
测试参数的选择和试样安装是该协议的两个关键步骤。该设备使用自重或音圈致动器施加压缩负载。自定义软件程序允许控制各种参数，如测试持续时间、载物台速度和行驶路径。如果测试持续时间太短，可能会出现问题;在这种情况下，短持续时间不允许摩擦系数μ 达到平衡（μ等式）。如果需要 μ等离子输出 ，用户必须选择适当的测试持续时间，以便能够捕获组织行为，直到它变得恒定。样品可以在测试的几个小时内达到平衡，这取决于组织46上接触面积的大小。还必须考虑测试的类型。该装置已用于固定接触区和迁移接触区配置中，以研究软骨摩擦特性5，6，9，11，12，47。可以操纵两个配合面的行进路径、载物台速度和同余度，以产生所需的测试模式。建议 在 LabVIEW 程序 用户 界面 中 创建 实 时 绘图， 以 协助 监测 测试。有用的图包括水平舞台位置 与水平舞台位置。时间，法向力 与时间，以及切向力 与水平级位置（迟滞， 图5C）。例如，顶部配合面必须仅停留在底部配合面上，以确保施加全部规定的载荷。通过查看正常负载实时图可以确认施加的负载值（图5A）。标本的安装必须牢固，以防止组织滑落或撕裂，从而提供错误的测量结果。由于安装不当导致的滑膜撕裂将导致不正确的摩擦系数，因为滑膜下方的安装表面将暴露在外。可以通过监测实时滞后曲线来检测此误差。该设备对功能特性的实时评估与其他摩擦测试系统不同。
所有原始数据都需要写入一个文件，该文件可以由所需的数据处理软件导入和处理。建议以至少 10 个数据点/秒的频率收集数据，并将原始数据保存到.csv或.txt文件中。可以使用方程
计算每个周期中每个位置的摩擦系数，其中 t 和 n 分别指切向力和法向力，其中 + 和 - 分别指每个周期的前进和后向冲程5。此公式认识到 F-t 的符号与 F+t 的符号相反。法向力（Fn）定义为与施加的载荷（z方向，图1）一致的力，而切向力（Ft）是与滑动平行的力（x方向，图1）。周期平均摩擦系数可以通过取给定循环中所有位置的μ平均值来计算。通过对顶部配合面的垂直位移进行归一化来计算蠕变位移，使得初始位移为零，并且随后的位移相对于初始位移。如果需要，可以对测试浴液的测试外植体和等分试样进行标准组织评估和培养基分析。在分析之前，建议记录用于数据处理或归一化的测试浴槽体积。
模块化配合面使多种测试配置能够适应。早期研究使用玻璃软骨测试来阐明间质液负荷支持在软骨摩擦中的作用9，10。通过比较软骨和软骨上的固定和迁移接触面积测试与玻璃11，进一步验证了间质液加压的重要性。Oungoulian等人评估 了关节软骨对半关节成形术中使用的金属合金的磨损机理，并表明滑动接触产生的4 h应力通过地下疲劳失效促进了分层磨损。Durney等人随后进行了这项工作，他们证明了在迁移接触区域配置下摩擦力保持较低时，仍然会发生分层磨损。最近，Estell等人13 首次报告了滑膜在模拟与下层组织（软骨和滑膜）的天然相互作用的测试条件下的摩擦特性，以及在模仿骨关节炎状态的条件下（用软骨磨损颗粒稀释滑液浴）。最终，摩擦测试设备的设计灵活性允许进行广泛的实验，有助于更好地理解软骨和滑膜摩擦学。
当前系统的一个限制是它只能维持几个小时的无菌测试条件。这是通过丙烯酸外壳， 通过 高压灭菌器对介质接触组件进行灭菌，以及用70%乙醇喷洒测试设备来实现的。亚克力外壳还包括加热元件和恒温监控功能。加热元件加热箱内的空气，控制内部环境的温度，并且可以外部控制，以避免样品暴露在外部环境中。通过在无菌生物安全柜（BSC）中收获标本并将标本组装在BSC内的无菌容器内，可以与支撑杆和固定底座连接，可以进一步实现无菌条件。对于长期研究，亚克力外壳可以配备必要的材料，以提供更无菌的环境（紫外线，适当的气流和过滤以及自调节温度控制）。另一个限制是，目前的摩擦测试装置被配置为测试单个顶部和底部配合面。通过改变加载压板和可拆卸底座设计，将当前的摩擦测试设备转换为具有多孔能力的生物反应器，以应用软骨上的软骨和软骨上的滑膜的生理负荷，可以获得多样本配合面方法。已经创建了一个使用6孔板的工作原型（图7）。该设计保留了根据需要调制顶部和底部配合面的能力。板的顶部是静止的并固定在组织培养箱架上，而板的底部连接到平移阶段。与目前的摩擦测试装置类似，可以添加自重以规定正常负载。在无菌环境中使用生物反应器，可以随着时间的推移对培养基进行采样，以评估对装载方案的生物反应。下一个设计迭代将寻求创建一个独立的生物反应器，其中包含计算机控制的翻译。如果要在生物反应器中保持摩擦测试装置的复杂性，则可以纵向测量组织机械和机械生物学性质的变化。
描述了一种摩擦测试设备，该设备允许控制向两个接触的生物配合面传递相互平移运动和正常载荷。在这项研究中，利用滑膜软骨配置来展示该装置的模块化和研究活组织的摩擦反应的能力。具有代表性的结果重申了滑液在提供边界润滑以减少双关节关节的磨损和摩擦方面的作用。该设备允许执行从体积摩擦到机械转导的多尺度实验。该设计可以在无菌条件下运行几个小时，并且可以转换为长期生物反应器，以概括关节的压缩滑动，从而促进生物力学，机械生物学和活关节组织的物理调节的研究。未来的研究将有助于了解健康和患病的物理环境如何影响关节的维持。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了骨科科学研究基金会，NIH 5R01 AR068133，NIH TERC 5P41EB027062和NIGMS R01 692 GM083925（资助者ID：10.13039 / 100000057）的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aluminum foil | Reynolds Group Holdings | Reynolds Wrap | Sterile tissue harvest |
| Aluminum-framed acrylic enclosure | Custom made | Friction tester component | |
| Autoclavable instant sealing sterilization pouches | Fisherbrand | 01-812-54 | Sterilization of tools |
| Autoclave | Buxton | Sterilization of tools | |
| Beaker (250 mL) | Pyrex Vista | 70000 | Tissue harvest |
| Betadine (Povidone Iodine Prep Solution) | Medline Industries, LP | MDS093906 | Sterile tissue harvest |
| Biological safety cabinet | Labconco | Purifier Logic+ Class II, Type A2 BSC | Sterile tissue harvest |
| Biospy punch | Steritool Inc. | 50162 | Tissue harvest |
| Box cutter | American Safety Razor Company | 94-120-71 | Tissue harvest |
| Circular acrylic-sillicone post (synovium) | Custom made | Tissue mounting | |
| Culture media | Custom made | DMEM (Cat No. 11-965-118; Gibco) supplemented with 50 μg/mL L-proline (Cat. No. P5607; Sigma), 100 μg/mL sodium pyruvate (Cat. No. S8636; Sigma), 1% ITS (Cat. No. 354350; Corning), and 1% antibiotic–antimycotic (Cat. No. 15-240-062, Gibco) | |
| Cyanoacrylate (Loctite 420 Clear) | Henkel | 135455 | Tissue mounting |
| Dead weights | OHAUS | Normal load | |
| Ethanol 200 proof | Decon Labs, Inc. | 2701 | Dilute to 70 % |
| Fixed base | ThorLabs, Inc. | SB1T | Friction tester component |
| Forceps (synovium harvest) | Fine Science Tools | 11019-12 | Tissue harvest |
| Forceps (synovium mounting) | Excelta | 3C-S-PI | Tissue mounting |
| Horizontal linear encoder (for translating stage) | RSF Electronics, Inc. | MSA 670.63 | Friction tester component; system resolution of 1 µm |
| Hot glue gun and glue | FPC Corporation | Surebonder Pro 4000A | Tissue mounting |
| LabVIEW | National Instruments Corporation | LabVIEW 2010 | Friction testing program |
| Load cell | JR3 Inc. | 20E12A-M25B | Friction tester component; 0.0019 lbs resolution in x&y, 0.0038 lbs resolution in z |
| Loading platen | Custom made | Tissue mounting | |
| O-ring | Parker | S1138AS568-009 | Tissue mounting |
| Petri dish (60 mm) | Falcon | 351007 | Tissue mounting |
| PivotLok Work Positioner (tibia holder) | Industry Depot, Pivot Lok | PL325 | Tissue harvest |
| Removable base | ThorLabs, Inc. | SB1B | Friction tester component |
| Ring stand | Tissue harvest | ||
| Scalpel blades | Havel's Inc. | FSC22 | Tissue harvest |
| Scalpel handle | FEATHER Safety Razor Co., Ltd. | No. 4 | Tissue harvest |
| Screwdriver | Wera | 3334 | Tissue harvest |
| Stage | JMAR | Friction tester component | |
| Stepper motor | Oriental Motor Co., Ltd. | PK266-03B | Friction tester component |
| Suction tool | Virtual Industries, Inc. | PEN-VAC Vacuum Pen | Tissue mounting |
| Support rod | Custom made | Tissue mounting | |
| Surgical scissors | Fine Science Tools | 14061-09 | Tissue mounting |
| Synovial fluid (bovine) | Animal Technologies, Inc. | Friction testing bath | |
| Testing bath | Custom made | Phosphate-Buffered Saline (PBS) with protease inhibitors: 0.04% isothiazolone-base biocide (Proclin 950 Cat. No. 46878-U; Sigma) and 0.1% protease inhibitor - 0.05 M ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA (Cat. No. 0369; Sigma) | |
| Tissue culture incubator | Fisher Scientific | Isotemp | Sterile culture |
| Vertical linear encoder (for loading stage) | Renishaw | T1031-30A | Friction tester component; 20 nm resolution |
| Voice coil actuator | H2W Technologies | NCC20-15-027-1RC | Friction tester component |
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